基于行人碰撞保护的某轻型客车前部结构改进

胡 伟，吕北京，冯第瑶

(重庆车辆检测研究院有限公司国家客车质量监督检验中心，重庆401122)

当前国内对于轿车基于行人碰撞保护的前部结构设计与改进做了很多研发工作，然而关于轻型客车行人碰撞保护的前部结构设计与改进鲜有研究。为降低道路事故中轻型客车对行人的伤害，本文依据GB/T 24550—2009《汽车对行人的碰撞保护》［1］建立行人下肢—轻型客车碰撞有限元模型并进行改进:在轻型客车横梁前端增加薄壁吸能板结构。改进后的模型仿真结果表明:薄壁吸能板结构可有效提高该轻型客车的行人碰撞保护性能。另外，由于国外推出了仿真程度更高的柔性腿型模型，本文还采用柔性腿型对改进后的客车模型进行仿真分析，并对比分析柔性腿型与刚性腿型的差异和对车辆前部结构要求的异同。

1 刚性行人下肢—轻型客车仿真模型的建立

我国在2009年参考 GTR9法规制定了 GB/T 24550—2009《汽车对行人的碰撞保护》。该标准要求刚性腿型试验时膝部最大动态弯曲角度不大于19°，膝部最大动态剪切位移不大于6.0 mm，小腿上端加速度应不大于170g。本文采用的腿型为TRL生产的TRL－LFL刚性腿型CAE模型。该腿型的总长度为926 mm，总质量为13.4 kg［2］。该模型包含 27 409个节点，23 664个实体单元，1 160个壳单元和若干梁单元。模型通过EEVCWG17规定的静态、动态标定试验和台架试验。

由于碰撞速度比较低，行人下肢—轻型客车碰撞过程中一般不涉及金属材料的大变形与大转角［3－4］。特别是对于前部结构刚性更大的轻型客车，腿型在侵入过程中只接触客车前部的蒙皮、吸能盒等结构，客车第一立柱之后的部件在腿型侵入过程中基本不会发生变形。为降低计算时间，在仿真过程中车辆的模型只截取车体的前部结构进行分析［5－6］。同时在腿型侵入客车前部结构的过程中，轮胎变形对仿真结果的影响基本可以忽略，因此忽略了轮胎而只考虑了轮毂的建模。轻型客车建模主要选取其蒙皮、横梁、横梁加强板、前纵梁、冷凝器及支架、翼子板等前部结构。去除第一立柱之后的结构并计算去除部分的质量及质心点的坐标，使用RBE2刚性连接单元以集中质量的方式与简化模型前端进行完全约束连接。

根据 GB/T 24550—2009［1］的试验工况建立行人下肢—轻型客车碰撞有限元模型。该标准中要求腿型冲击速度为11.1 m/s±0.2 m/s;在第一接触时刻腿型的底部应在地面基准平面以上25 mm，偏差在10 mm范围内。车辆与腿型之间的仿真接触设置对于模型仿真的可靠性特别重要，车辆和下肢冲击器之间设为自动面面接触，并且腿型冲击器模型本身设置为自动面面接触，其余部分设为自动自身接触［7］。最终建立的行人下肢及简化后的轻型客车碰撞有限元模型如图1所示。

图1 行人下肢—轻型客车碰撞仿真模型

2 轻型客车下肢碰撞仿真分析

2.1 碰撞能量分析

由于车辆左右对称，因此选取车辆中间点(LL2碰撞位置点)以及保险杠与右侧纵梁延展方向交汇点(LL3碰撞位置点)进行分析。通过求解器计算图1模型，查看系统总能量、动能、内能、滑移界面能、沙漏能5条能量变化曲线。从曲线可以看到，系统动能逐步转化为内能并在30 ms左右趋于平衡，系统能量是守恒的。各曲线光滑过渡且滑移界面能和沙漏能均未超过系统总能量的5%，说明该模型是可靠的。

2.2 原始客车模型碰撞变形分析

LL2位置的行人下肢—车辆的碰撞时序图如图2所示，腿型在时间2 ms的时候开始接触客车前部蒙皮，随着腿型进一步侵入，客车的蒙皮不断受挤压变形。腿型在9 ms的时候接触到横梁钢板，小腿的膝关节弯曲角度逐渐变大，并在21 ms左右的时候弯曲角度达到最大;同样通过查看 LL3位置的行人下肢—车辆的碰撞的时序图可知，由于车型前部造型需要LL3位置处的蒙皮凹陷，腿型在5 ms的时候开始接触蒙皮，随着腿型进一步侵入，在11 ms的时候开始接触横梁，膝关节开始弯曲，并在23 ms左右的时候弯曲角度达到最大。

图2 LL2位置碰撞时序图

2.3 保护性分析

通过Hyperwiew后处理功能读取胫骨加速度曲线、膝部弯曲角度曲线和膝部剪切位移曲线，如图3中改进前部分曲线。在模型LL2位置处，腿型胫骨最大加速度为197g，膝部最大弯曲角度为17.7°，膝部最大剪切位移为5.1 mm;在LL3位置处的胫骨最大加速度为246g，膝部最大弯曲角度为16.2°，膝部最大剪切位移为 4.7 mm。与 GB/T 24550—2009［1］中刚性腿型损伤限值进行对比分析，LL2位置的小腿上端加速度超过标准限值，膝部最大动态弯曲角度、膝部最大剪切位移虽未超过但已接近标准限值;LL3位置的小腿上端加速度远超过标准限值，膝部最大弯曲角度虽未超过但已接近标准限值。出现上述情况的主要原因可能为:LL3位置处的蒙皮到吸能盒及后面纵梁的距离较近，在腿型的侵入过程中蒙皮的变形范围相对有限，腿型能量衰减有限，导致腿型接触到刚性比较大的纵梁;LL2位置优于车辆前部造型的原因是蒙皮距离横梁较远，碰撞的过程中蒙皮变形范围较大，腿型能量衰减效果相对更有效。

3 轻型客车前部结构改进

行人碰撞保护设计的核心之一是车辆前部结构吸能空间的布置设计［8－9］。该轻型客车在最初设计时并未将行人保护纳入考虑范围。为了工艺和装配的方便，厂家在车辆蒙皮和横梁之间未布置任何缓冲结构来吸收碰撞过程中的能量以降低对行人腿部的伤害。该款轻型客车前部蒙皮离横梁结构有一定的距离，这为车辆前部结构改进提供了空间基础。根据经验，能够满足胫骨加速度峰值和膝部弯曲角度峰值要求的车辆前部结构一般都能满足膝部剪切位移峰值的要求［10－11］。在尽可能控制改进成本、不改变车辆设计的情况下，在蒙皮和横梁之间添加可压溃缩的薄壁吸能板结构来吸收腿型侵入过程中的一部分能量以减小下肢损伤。

方案采用铝合金薄壁吸能结构，后部通过焊接的方式与水箱下横梁底部实现固定。薄壁吸能结构宽度与横梁一致，宽度为刚性腿型直径的两倍。薄壁结构厚度以0.1 mm为等差，从0.5 mm到3 mm进行变量分析，对添加薄壁吸能结构的车辆模型进行仿真分析，得到薄壁吸能结构在0.7 mm厚度时车辆对腿型的保护为最优。

图3给出了改进前后的腿部损伤结果对比曲线，改进前后峰值结果对比见表1。在LL2位置，胫骨加速度峰值减小了44.2%，膝部最大弯曲角度减小了53.7%，膝部最大剪切位移减小33.3%;在LL3位置，胫骨加速度峰值减小67.9%，膝部最大弯曲角度减小56.8%，膝部最大剪切位移减小51.1%。

图3 腿部损伤结果改进前/后对比曲线图

表1 改进前后峰值结果对比

4 柔性腿型对比分析

LSTC－LFI柔性腿型冲击器由2个外覆泡沫的刚性件组成，分别代表大腿和小腿，由可变形的模拟关节相连接。冲击器的总长应是928 mm，试验质量13.4 kg。有限元模型是基于欧洲委员会 (EC)No．631/2009中对行人腿部保护要求建立的，并通过了 EC No．631/2009 试验验证要求［12］。该冲击器有限元模型包含47 409个节点，33 664个实体单元，2 960个薄壳单元和2个梁单元，除此之外模型中还设置了传感器和弹簧单元用于测量腿部伤害值。

采用LSTC－LFI柔性腿型冲击器与改进后的车辆模型建立行人下肢—车辆有限元碰撞模型后通过LS－DYNA求解计算。图4给出了柔性腿型在LL2、LL3位置的弯矩和韧带拉长量损伤曲线。

图4 LSTC－LFI柔性腿型仿真结果

数据处理后得到的柔性腿型胫骨最大弯矩和韧带最大拉长量结果见表2。

表2 柔性腿型在LL2、LL3位置的损伤数据

柔性腿型碰撞单点评分分为两部分:小腿的弯矩占0.5分，取4个弯矩值中最差的一个进行评价，基于高、低性能限值通过线性差值法来计算得分;膝部韧带的拉长量占0.5分，在ACL、PCL低于限值的前提下，基于MCL高、低性能限值通过线性差值法计算得出。所有碰撞点总分和除以碰撞点数量计算出得分百分比。根据标准要求，腿型试验区域最高得分为3分，最低得分为0分。柔性腿型试验需分别对车辆前部左、中、右3处位置进行考核，因此上面计算得出的百分比乘以3，即为该腿型试验最终得分［13］。柔性腿型胫骨弯矩损伤限值为340～282 N·m，对应得分为0～0.5;膝部韧带中内侧韧带(MCL)损伤限值为22～19 mm，对应得分为 0～0.5;前、后韧带(ACL、PCL)损伤限值为10 mm，若拉长量超过10 mm，该部分得分为0。

根据计分规则计算发现，LL2和LL3位置的吸能效果不满足柔性腿型某些指标的要求，说明相较于刚性腿型，柔性腿型对车辆前部结构的要求更为严格。

5 结束语

通过CAE分析可知，该轻型客车不符合法规GB/T 24550—2009［1］对行人保护的要求;通过在车辆前端添加铝合金薄壁吸能结构的改进设计，可以改善该轻型客车前部吸能特性，能够有效地提高该轻型客车的行人保护性能。基于改进的客车模型，再采用柔性腿型模型进行仿真，对比分析了柔性腿型和刚性腿型性能评价指标和对车辆前部吸能结构要求的异同。